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Dokumentenidentifikation DE10201640A1 07.08.2003
Titel Verfahren zur Herstellung einer Folie mit Oberflächenstrukturen im Mikro- und Nanometerbereich sowie eine diesbezügliche Folie
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80636 München, DE
Erfinder Meyer, Jörg-Uwe, 66386 St. Ingbert, DE
Vertreter Rösler, U., Dipl.-Phys.Univ., Pat.-Anw., 81241 München
DE-Anmeldedatum 17.01.2002
DE-Aktenzeichen 10201640
Offenlegungstag 07.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse B81C 5/00
IPC-Nebenklasse B82B 3/00   B29C 59/00   
Zusammenfassung Beschrieben wird ein Verfahren zur Oberflächenstrukturierung einer Folie mit Strukturgrößen im Mikro- und Nanometerbereich.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Folie mit wenigstens einer Folienoberfläche, in der wenigstens abschnittsweise zusammenhängende, zur Folienoberfläche einseitig offen ausgebildete Mikrokanäle vorgesehen sind, bereitgestellt wird, dass eine zweite Folie mit der oberflächenstrukturierten Folie derart verfügt wird, dass die Mikrokanäle von der zweiten Folie fluid- und/oder gasdicht überdeckt werden, und dass wenigstens ein flüssiges oder gasförmiges Medium durch die Mikrokanäle geleitet wird, das durch chemische Wechselwirkung Folienmaterial innerhalb der Mikrokanäle zur Erzeugung von Mikro- und/oder Nanostrukturen abträgt und/oder Beschichtungsmuster mit Strukturgrößen im Mikro- und/oder Nanometerbereich erzeugt.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Folie mit Oberflächenstrukturen, deren Strukturgrößen im Mikro- und Nanometerbereich liegen, sowie auf eine diesbezügliche Folie.

Stand der Technik

Folien der vorstehend genannten Gattung bestehen typischerweise aus Polypropylen (PP) oder Polyester (PE) und weisen Foliendicken im Bereich zwischen 0,1 µm und 100 µm auf. Die mit den heutigen Verfahrenstechniken herstellbaren Folien sind als Meterware in Breiten zwischen 10 cm und 15 m erhältlich und werden in an sich bekannter Weise im Ständerverfahren oder Bubble-Bubble-Verfahren mit nachfolgender Quer- und Längsstreckung hergestellt. Aus einer Vielzahl technischer Gründe werden derartige Folien mit Oberflächenstrukturen, die typischerweise Strukturgrößen zwischen 0,1 µm bis 50 µm aufweisen, versehen. Derartige zumeist als Oberflächenstrukturen ausgebildete Strukturelemente können mittels Prägewalzen in die Folien eingearbeitet werden. Auch werden Folien gezielt mit Löchern durchsetzt, sogenannte Perforationen, die mit Hilfe von Nadel-, Flamm- sowie Lasereinrichtungen in die Folien mit Lochabständen typischerweise größer 100 µm eingebracht werden. Neueste Entwicklungen ermöglichen zudem die Herstellung einer Nanoperforierung in Folien durch Verwendung sogenannter Nanokristalle, vermittels derer die Folien statistisch verteilt perforierbar sind.

Neben dem Einbringen von Oberflächenstrukturen sowie auch die entsprechende Folien vollständig durchsetzenden Perforierungen ist es ebenso bekannt, derartige Folien mit dünnen Keramik- oder Metallschichten oberflächig zu versehen bzw. zu kaschieren. Derartige dünnschichtige Keramik- oder Metallschichten mit Schichtdicken typischerweise zwischen 10 und 1000 nm finden beispielsweise Verwendung in der Herstellung von Kondensatorfolien.

Neben der vorstehenden Strukturübertragung auf Folien mittels mechanischer Prägetechniken ermöglichen überdies photolithographische Verfahren die Herstellung von Mikrostrukturierungen auf Polymeren, aufgeschleuderten Filmen sowie Folien. Einzelheiten hierzu sind aus dem Beitrag von Stieglitz, T., Beutel, H., und Meyer, J. U. "a flexible, light-weight multichannel sieve electrode with integrated cables for interfacing regenerating peripheral nerves, A60, 240-243, 1997, Leuven, Belgium, Switzerland, Elsevier, Eurosensors X; sens. Actuators A. Phys. (Switzerland), 8-9, 1996, zu entnehmen. Neben den erwähnten photolithographischen Verfahren sind zur Herstellung von Mikrostrukturierungen von Folienoberflächen auch sogenannte soft-lithographische Verfahren bekannt, wie sie beispielsweise aus dem Beitrag von Whitesides G. M. et al., "Microfabrication, Microstructures and Microsystems", Microsystem Technology in Chemistry and Life Sciences, pp 2-20, 1999 hervorgehen. Die Soft-Lithographie verwendet hauptsächlich aus Silikone (PDMS) gefertigte Stempel oder Walzen, die auf Folienflächen von maximal 1 bis 100 cm2 aufgedrückt werden, um die entsprechenden Mikrostrukturen auf die zu bedruckende Folienoberfläche abzuformen. Mit einer ähnlichen Technik wurde bereits im Jahre 1995 unter Verwendung von aus Silikonen und Polyurethanen gefertigten Mikrostrukturen biologische Zellen strukturiert und in Arrays gehalten und kultiviert. Genaueres hierzu ist aus dem Beitrag von J.-U. Meyer und M. Biehl, Micropatterned biocompatible materials with applications for cell cultivation", Journal Of Micromechanics And Microengineering, vol. 5, pp. 172-174, 1995, zu entnehmen.

Im Bestreben möglichst großflächige Folienflächen beispielsweise im Wege der mikrostrukturierten Stempeltechnik zu strukturieren, ging man dazu über, an sich kleinflächige, mikrostrukturierte Stempel durch Replikation, d. h. wiederholtes, räumliches Versetzen des Stempels lateral zu einer mikrostrukturierenden Folienoberfläche, auf größere Folienflächen auszuweiten. Derartige Replikationsverfahren besitzen jedoch den Nachteil der exakten Aneinanderreihung der einzelnen Stempelmuster sowie der unumgänglichen Notwendigkeit die Muster im Raster des Stempels exakt zu wiederholen. Betreibt man jedoch den Aufwand der vorstehenden Stempelreplikation längs einer zu strukturierenden Fläche nicht, so ist die zu strukturierende Folienfläche lediglich auf das maximale Stempelflächenmaß begrenzt, das üblicherweise wesentlich kleiner als 10 cm2 ist. Nachteilhaft bezüglich der aus PDMS-Materialien gefertigten Stempel ist zudem der unvermeidliche Vernetzungsvorgang des Stempelmaterials, der durch Alterungsprozesse zu einer nur unbefriedigenden Strukturtreue des Stempels führt.

Auch sind den auf der Photolithographie beruhenden Mikrostrukturierungs- und Beschichtungsverfahren Grenzen in der zu prozessierenden Foliensubstratgröße gesetzt, da übliche Prozesskammern für die Durchführung von Plasma- und Vakuumprozessen lediglich einen Durchmesser wesentlich kleiner als 1 m besitzen. So werden mit der Photolithographie lediglich Wafersubstrate mit Durchmessern zwischen 10 und 20 cm photolithographisch bearbeitet bzw. strukturiert. Zwar ist es grundsätzlich möglich mit Hilfe moderner Lasertechnik größerflächige Folienoberflächen zu strukturieren, doch erfolgt die Laserstrukturierung und Mustererzeugung üblicherweise seriell und bedarf darüber hinaus anspruchsvoller und kostenintensiver Lasertechnologien.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenstrukturierung einer Folie mit Strukturgrößen im Mikro- und Nanometerbereich derart anzugeben, dass möglichst große Folienoberflächen, d. h. Flächengrößen von größer 100 cm2 mit Oberflächenstrukturen im Mikro- und Nanometerbereich auf möglichst kostengünstige Weise erzeugt werden können. Die zu erzeugenden Oberflächenstrukturen sollen mit einer, bezogen auf die gesamte zu strukturierende Folienoberfläche, gleichbleibenden Strukturqualität und Genauigkeit erzeugbar sein, wie sie beispielsweise mit Hilfe an sich bekannter photolithographischer Strukturierungsprozesse erreichbar sind. Jedoch sollen auf eben jene aufwendigen und kostenintensiven photolithographischen Mikro- und Nanostrukturierungsprozesse vollständig verzichtet werden.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in den Ansprüche 1, 2 sowie 3 angegeben. Erfindungsgemäße Folien, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind, sind Gegenstand der Ansprüche 18 ff. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß zeichnet sich eine erste Alternative eines Verfahrens zur Oberflächenstrukturierung einer Folie mit Strukturgrößen im Mikro- und Nanometerbereich durch die Kombination folgender Verfahrensschritte aus:

Zunächst wird eine Folie bereitgestellt, auf deren wenigstens einen Folienoberfläche Mikrostrukturen eingebracht sind, die als wenigstens abschnittsweise zusammenhängende, zur Folienoberfläche einseitig offen ausgebildete Mikrokanäle ausgebildet sind. Derartige, vorgeprägte Folien mit geeigneten Mikrokanälen als Mikrostrukturen können mit an sich bekannten Prägetechniken erzeugt werden und sind in dieser Form mit den unterschiedlichsten Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich erhältlich.

In einem zweiten Schritt wird eine zweite Folie mit der vorgeprägten Folie derart verfügt, vorzugsweise lösbar fest auf die vorgeprägte Folie auflaminiert, dass die Mikrokanäle von der zweiten Folie fluid- und/oder gasdicht überdeckt sind. Die zweite Folie sollte hierzu eine glatte eben ausgebildete Foilienfläche aufweisen, die auf die vorgeprägte Folienoberfläche aufgesetzt wird.

Schließlich wird wenigstens ein flüssiges oder gasförmiges Medium durch die von den Folien eingeschlossenen Mikrokanäle geleitet, deren Kanalquerschnitt typischerweise 0,1-105 Mikroquadratmeter, wobei das wenigstens eine flüssige oder gasförmige Medium derart gewählt ist, dass zwischen dem Medium und dem Folienmaterial innerhalb längs der Mikrokanäle eine chemische Wechselwirkung zur Erzeugung von Mikro- und/oder Nanostrukturen im Wege lokaler Materialabtragungen erfolgt und/oder Beschichtungsmuster mit Strukturgrößen im Mikro- und/oder Nanometerbereich innerhalb längs der Mikrokanäle durch lokale Materialablagerungen entstehen.

Vorstehende Lösungsvariante stellt einen Lösungsfall dar, in dem lediglich zwei Folien miteinander verfügt werden, von denen wenigstens eine Folienoberfläche eine vorgeprägte Oberflächenmikrostruktur zur Ausbildung der von beiden Folien eingeschlossenen Mikrokanäle aufweist, durch die ein entsprechend ausgewähltes flüssiges oder gasförmiges Medium zu Zwecken innerhalb der Mikrokanäle stattfindenden nass- oder gaschemischen Ätz- und/oder Beschichtungsprozessen geleitet wird.

Eine abgewandelte, alternative Lösungsvariante sieht vor, anstelle der vorgeprägten Folie eine Folie mit einer Folienoberfläche vorzusehen, auf der im Wege zumindest eines Materialabscheidungsprozesses Bereiche der Folienoberfläche mit Abscheidematerial überdeckt sind, die freie Bereiche der Folienoberfläche umgeben, die einseitig offen ausgebildete Mikrokanäle darstellen. Wie im weiteren unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert wird, können die mit Abscheidematerial überdeckten Folienbereiche im Wege nasschemischer Abscheideprozesse in ihrer Schichtdicke zusätzlich verstärkt werden, so dass sich auf diese Weise Mikrokanäle ergeben, die von den jeweiligen Materialabscheidebereichen begrenzt sind.

Im weiteren wird nun eine zweite Folie gleichsam der ersten Lösungsvariante mit den über die Folienoberfläche erhabenen Bereiche mit Abscheidematerial derart verfügt, dass die Mikrokanäle von der zweiten Folie fluid- und/oder gasdicht überdeckt werden. Analog zur ersten Verfahrensvariante wird nun wenigstens ein flüssiges oder gasförmiges Medium durch die Mikrokanäle geleitet, das durch chemische Wechselwirkung Folienmaterial innerhalb der Mikrokanäle zur Erzeugung von Mikro- und/oder Nanostrukturen abträgt und/oder Beschichtungsmuster mit Strukturgrößen im Mikro- und/oder Nanometerbereich erzeugt.

Wesentlicher Aspekt bei der Ausbildung der Mikro- und/oder Nanostrukturen längs der Mikrokanäle, bedingt durch die chemische Wechselwirkung zwischen dem flüssigen oder gasförmigen Medium und dem Folienmaterial innerhalb der Mikrokanäle, betrifft den nur sehr klein dimensionierten Mikrokanalquerschnitt, der durch seine nur geringe Größe für das den Mikrokanal durchströmende Medium einen sehr hohen Strömungswiderstand entgegensetzt. Insbesondere treten bei Verwendung flüssiger Medien laminare Strömungsverhältnise längs der Mikrokanäle auf. Daher sind geordnete Strömungsmuster längs eines die Mikrokanäle durchsetzenden flüssigen Stoffstromes zu beobachten, wodurch beispielsweise selektiv lokale Materialabtragungen innerhalb der Mikrokanäle stattfinden und sich Nanostrukturen ausbilden.

Ferner beeinflusst die Anordnung zuführender Kanäle sehr stark das Strömungsverhalten von flüssigen oder gasförmigen Stoffströmen, die durch die Mikrokanäle hindurchtreten. So können durch die geometrische Anordnung zuführender Kanäle parallel zueinander laufende Strömungsbahnen entstehen, die zu sogenannten Fluss- bzw. Flowregimes führen. Innerhalb derartiger Flowregimes können sich unterschiedliche Stoffströme bzw. Stoffkonzentrationen ausbilden, die unterschiedlich stark mit den Wänden der Mikrokanäle in chemische Wechselwirkung treten und hierdurch lokale Mikro- und/oder Nanostrukturen zu erzeugen in der Lage sind. So ist es möglich, einen Stoffstrom längs der Mikrokanäle zu leiten, der sich aus wenigstens zwei unterschiedlichen Komponenten zusammensetzt, die als nichtmischbare Phasen auch während des Durchströmens durch die Mikrokanäle ihre spezifische chemische Reaktivität beibehalten und somit an den Kontaktbereichen längs der Mikrokanäle unterschiedlich stark ausgebildete chemische Wechselwirkungen hervorrufen.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung von Mikro- und/oder Nanostrukturen innerhalb der Mikrokanäle sieht eine Vorbehandlung der Mikrokanäle derart vor, dass beispielsweise die Mikrokanäle an ihren jeweiligen Seitenflanken bzw. Kanalecken gezielt mit einem chemisch inerten Material überdeckt werden, das sich beispielsweise im Wege einer geeigneten Vorbehandlung selektiv an geeigneten Mikrokanalbereichen absetzt. In einem nachfolgenden Schritt wird ein flüssiges oder gasförmiges chemisch reaktives Medium durch die Mikrokanäle geleitet, das an den noch freien Mikrokanaloberflächen beispielsweise einen entsprechenden Materialabtrag oder eine entsprechende Materialabscheidung erzeugt.

Allen möglichen Verfahrensvarianten ist gemein, dass nach Durchführung der nass- oder gaschemischen Mikro- und/oder Nanostrukturierung der Mikrokanäle die aneinandergefügten Folien voneinander getrennt werden, um das gewünschte Produkt einer kostengünstig hergestellten Oberflächenstrukturierten Folie mit Mikro- und Nanostrukturen zu erhalten.

Mit Hilfe den vorstehend beschriebenen Verfahren wird eine Folie gewonnen, die sich erfindungsgemäß durch eine Folienoberfläche auszeichnet, in der wenigstens ein einseitig offener Mikrokanal als Oberflächenstruktur vorgesehen ist, längs dem in bevorzugter Weise wenigstens eine nutförmige Vertiefung als Nanostruktur verläuft.

In vorteilhafter Weise weist die Folienoberfläche eine Vielzahl nebeneinander verlaufende Mikrokanäle auf, in denen jeweils koparallel längs zum Mikrokanal nutförmige Nanokanäle verlaufen.

Wie insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele dargestellt wird, bieten derartig strukturierte Folien vielfache Anwendungsmöglichkeiten sowohl in Form mechanischer, aber insbesondere elektrischer Verbindungsstrukturen, als auch für biotechnologische Anwendungen beispielsweise zur Kultivierung oder Lagerung von Zellen.

Der Vorteil, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden ist, betrifft die Möglichkeit der Herstellung nahezu grenzenlos großer Oberflächenstrukturierter Folien mit geeigneten Mikro- und/oder Nanostrukturen unter technisch und insbesondere kostenreduzierten Aufwand.

Der erfindungsgemäße Erfolg zur Herstellung der gewünschten mikro- und nanostrukturierten Folie stellt sich überraschenderweise auch beim Durchführen des Verfahrens gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Verfahrensvariante ein, die sich überdies als einfachste Verfahrensvariante hersausstellt, zumal es keiner Deckelung der vorstrukturierten Folie durch eine zweite Folie bedarf.

Erfindungsgemäß wird hierbei gemäß den ersten beiden, vorbeschriebenen Verfahrensvarianten eine Folie mit wenigstens einer Folienoberfläche, in der wenigstens abschnittsweise zusammenhängende, zur Folienoberfläche einseitig offen ausgebildete Mikrokanäle vorgesehen sind, bereitgestellt. Im Anschluß daran wird wenigstens ein flüssiges Medium in die Mikrokanäle eingebracht wird, das durch chemische Wechselwirkung Folienmaterial innerhalb der Mikrokanäle zur Erzeugung von Mikro- und/oder Nanostrukuren abträgt und/oder Beschichtungsmuster mit Strukturgrößen im Mikro- und/oder Nanometerbereich erzeugt.

Bei der Wahl des flüssigen Mediums ist darauf zu achten, dass bei bloßen in Kontaktbringen des Medium mit dem Folienmaterial, in dem die Mikrokanäle vorgesehen sind, selektive Ätzprozesse oder Materialabscheidungen erfolgen. Dies ist bspw denkbar durch die Gegenwart von sich selbstorganisierender Partikel bspw. kolloidaler Partikel innerhalb des flüssigen Mediums, die sich autonom in einer bestimmten räumlichen Anordnung relativ zueinander ausrichten. Durch die Wahl der chemischen Reaktivität jener Partikel lassen sich gewünschte Ätz- oder Beschichtungsprozesse realisieren. Beispielsweise können sich automom angeordnete kolloidale Partikel nach ensprechender Verdampfung der flüssigen Phase des Mediums fest innerhalb der Mikrokanäle anordnen und eine Art zusammenhängender Überhöhungen bilden.

Alternativ oder in Kombination vorstehender Partikel können räumlich lokale Ätz- oder Beschichtungsprozesse auch durch Anlegen geeigneter externer Energiefelder, wie bspw. elektromagnetische, elektrostatische, Licht- oder/und Wärmefelder vermittels des in den Mikrokanälen eingebrachten flüssigen Mediums hervorgerufen oder verstärkt werden.

Die genaue technische Realisierung dieser vereinfachten Verfahrensvariante, die lediglich eine Art Überspülen der vorstrukturierten Folienoberfläche mit einem geeignet gewählten flüssigen Medium vorsieht, kann insbesondere durch die Anwendung der zu den ersten beiden Verfahrensvarianten genannten Massnahmen, auf die im weiteren im einzelnen eingegangen wird, erzielt werden. Dies betrifft insbesondere die Wahl des flüssigen Mediums, die Ausbildung von Flowregimen sowie die Anwendung externer Energiefelder.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b Folienkombination mit eingeschlossenen Mikrokanälen,

Fig. 2a, b, c Folienkombination mit nanostrukturierten Mikrokanälen,

Fig. 3a, b, c Folienkombination mit nanostrukturierten Mikrokanälen, in denen zusätzliches Beschichtungsmaterial abgelagert ist,

Fig. 4a-d Prozessschritte zur Herstellung einer lokal beschichteten Folienoberfläche,

Fig. 5a-e Verfahrensschritte zur Herstellung einer nanostrukturierten Folienoberfläche ausgehend von einer lokal beschichteten Folienoberfläche,

Fig. 6a-e Herstellungsschritte zur Erzeugung mikro- und nanometergroße Beschichtungsmuster auf Folienoberflächen,

Fig. 7a, b Stapelanordnung mikro- und nanostrukturierter Folienoberflächen,

Fig. 8a, b, c Stapelanordnung mikro- und nanostrukturierter Folienoberflächen in biotechnologischer Anwendungsform,

Fig. 9 u. 10 alternative Herstellungsverfahren zur lokalen Beschichtung einer Folienoberfläche,

Fig. 11 u. 12 Herstellungsverfahren von nanometergroßen Strukturen längs der Mikrokanäle mittels Mikro- und Nanopartikel.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1a ist eine vorgeprägte Folie 2 dargestellt, an deren Folienoberseite zwei offen ausgebildete, zueinander parallel verlaufende im Querschnitt rechteckförmig ausgebildete Mikrokanäle M eingearbeitet sind. Die Mikrokanäle M weisen typischerweise eine Kanalhöhe von wenigen µm und eine Kanalbreite von bis zu 100 µm auf. Die einseitig offen ausgebildeten Mikrokanäle M werden im Rahmen konventioneller Prägeverfahren in die Folie 2 eingepresst oder mittels alternativer Materialabtrageverfahren erzeugt. Über der vorgeprägten Folie 2 ist eine nichtgeprägte Folie 1 vorgesehen, die in Fig. 1b mit der, die Mikrokanäle M aufweisenden Folienoberfläche der Folie 2 fest verfügt wird. Die feste Verfügung erfolgt vorzugsweise mittels Laminattechnik. Nach Verfügen beider Folien bilden sich geschlossene Mikrokanäle M aus, die offen aus dem Kantenbereich des Folienpaars 1 und 2 münden. Durch die Längsöffnungen der Mikrokanäle M erfolgt nun die Einleitung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums 3, das im Wege einer lokalen Materialabtragung beispielsweise im Wege einer Ätzung oder einer lokalen Beschichtung innerhalb längs der Mikrokanäle M Nanostrukturen zu erzeugen vermag. Der Eintrag des flüssigen oder gasförmigen Mediums 3 in die Mikrokanäle M kann typischerweise durch Kapillarkräfte, Adhäsionskräfte, erwirkter Partikelfluss oder durch Druckbeaufschlagung erfolgen.

In Fig. 2a sind Nanostrukturen 4 längs der Mikrokanäle M dargestellt, die als nutförmige, parallel zum Mikrokanal M verlaufende Vertiefungen ausgebildet sind. Die Fig. 2b und c veranschaulichen die sich ausbildenden Nanostrukturen 4 längs der Mikrokanäle M in einer vergrößerten Detailansicht.

In Fig. 3a bis c ist eine mit Fig. 2 korrespondierende Darstellungsform der durch Lamination zusammengefügten Folien 1 und 2 dargestellt. Durch einen geeigneten Abscheideprozess im Wege nasschemischer oder gasförmiger Abscheidung längs der Mikrokanäle sind die Nanostrukturen 4 selektiv mit einem Material 5 aufgefüllt, das beispielsweise elektrisch leitendes Material darstellt, um auf diese Weise parallel zueinander verlaufende Elektrodenstrukturen herzustellen. Auf die technische Realisierung derartiger Elektrodenstrukturen wird im weiteren im einzelnen eingegangen.

Neben der unter Bezugnahme auf Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, bei der die Folien 1 und 2 unmittelbar aufeinander laminiert sind und auf diese Weise die Mikrokanäle M einzuschließen, sieht die Verfahrensvariante gemäß der Fig. 4 und 5 eine zwischen den Folien 1 und 2 befindliche, strukturierte Zwischenschicht Z vor.

Zur Herstellung dieser strukturierten Zwischenschicht Z wird gemäß Fig. 4a eine vorgeprägte, mikrostrukturierte Folie 2 auf eine beschichtete bzw. kaschierte Folie 6 aufgebracht. Die Beschichtung der Folie 6 besteht beispielsweise aus einem metallischen Material. Die gemäß Fig. 4b durch Auflamination der vorstrukturierten Folie 2 auf die kaschierte Zwischenschicht Z der Folie 6 eingeschlossenen Mikrokanäle M werden anschließend von einem Ätzmedium durchströmt, durch das die Zwischenschicht Z längs der Mikrokanäle M vollständig abgetragen wird. (Siehe Fig. 4c). Nach Delamination der strukturierten Folie 2 von der Oberfläche der Folie 6 erhält man eine lokale Beschichtungsstrukturen aufweisende Folie 7.

Ausgehend von der Mikrostruktur-beschichteten Folie 7 gemäß Fig. 5a werden nun im Wege eines nachfolgenden galvanischen Metallabscheideprozesses gemäß Fig. 5b die mikrostrukturierten Schichtbereiche in ihrer Schichtdicke verstärkt. Im weiteren Schritt erfolgt eine Lamination der Folie 1 auf die oberen Bereiche der aufgedoppelten Schichtbereiche (siehe Fig. 5c), wodurch wiederum entsprechende Mikrokanäle M eingeschlossen werden. Zu beachten ist bei dieser Verfahrensvariante, dass die Folie 1 und 7 selbst keine Vorprägung aufweist.

Gleichsam den eingangs erläuterten Techniken wird nun ein flüssiges oder gasförmiges Medium in die Mikrokanäle M eingebracht, wodurch eine lokale Materialabtragung zur Erzeugung von Nanostrukturen 4 erfolgt (Fig. 5d). Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, können die unterschiedlichen Topologien der sich ausbildenden Nanostrukturen 4 längs der Mikrokanäle M durch Ätzmedien mit unterschiedlichen Konzentrationen sowie Fluss-Regime erzielt werden.

Nach entsprechender Delamination der Folie 1 und Entfernen der die beiden Folien 1 und 7 distanzierenden Metallstrukturen liegt eine topographisch mikro- und nanostrukturierte Folie vor, wie sie aus Fig. 5e zu entnehmen ist.

Zur Herstellung der in Fig. 3 gezeigten lokalen Beschichtung innerhalb der Nanostrukturen 4 beispielsweise zur Ausbildung parallel zueinander orientierter Elektrodenbahnen, sind in Fig. 6 entsprechende Verfahrensschritte dargestellt. Auf eine topographisch mikro- und nanostrukturierte Folie 10, wie sie aus dem vorstehenden, in Fig. 5 beschriebenen Verfahrensprozess erhalten wird, wird eine Folie 1 auflaminiert (siehe Fig. 6a und b). Im weiteren wird ein flüssiges oder gasförmiges Medium in die einzelnen Mikrokanäle M eingeleitet, aus dem sich Ionen oder bestimmte chemische Substanzen aus der Gas- oder Flüssigphase in die Nanostrukturen 4 ablagern (siehe Fig. 6c). Um einen aus Ionen und/oder der chemischen Substanz bestehenden Beschichtungsfilm auf der topographisch mikro- und nanostrukturierten Folie gezielt abscheiden zu können, werden vorzugsweise elektrostatische, elektrische oder magnetische Felder oder aber Energiefelder in Form von Wärme- oder Lichteintrag längs der Mikrokanäle M mit dem darin befindlichen Abscheidemedium vorgesehen, um eine selektive bzw. lokal begünstigte Materialabscheidung realisieren zu können. In einem weiteren Schritt wird durch Einleiten eines bestimmten Ätzmediums durch die Mikrokanäle M eine definierte Schichtdicke des Beschichtungsfilmes beispielsweise durch Ätzen entfernt, um definiert voneinander getrennte Beschichtungsmuster (siehe Fig. 6d) zu erhalten. Nach Delamination der Folie 1 von der nun neuartig prozessierten Folie 12 wird beispielsweise eine Folie erhalten, längs deren Mikrokanäle nanometerbreite, parallel zueinander verlaufende Elektrodenbereiche E enthalten sind (Fig. 6e).

Zur Erhöhung der Funktionsdichte bei der Herstellung derartig strukturierter Folien 12 bietet sich die in Fig. 7 dargestellte Stapelanordnung an. Hierbei werden gemäß Fig. 7a eine Vielzahl mikro- und nanostrukturierter Folien 10 stapelförmig übereinander laminiert, deren oberste Folie 10 von einer normalen Deckfolie 1 abgeschlossen wird. Derartig stapelförmige Folienanordnungen bieten den Vorteil, dass sich das Verhältnis aus der wirkenden Oberfläche längs der Mikrokanäle zur Grundfläche der Folien wesentlich erhöht. Somit ist es möglich, mikro- und nanostrukturierte Folien auf möglichst ökonomische Weise zu produzieren. Die gestapelten Folien können mittels mehrfacher Lamination fest miteinander verfügt werden. In gleicher Weise wie das in Fig. 6 beschriebene Verfahren sind nun mit lokalem Materialabtrag innerhalb der Nanostrukturen versehene Folien 12 herstellbar. Nach entsprechender Delamination des Folienstapels gemäß Fig. 7b sind die einzelnen Folien 12 fertiggestellt.

Im Falle von mehrlagigen Metallschichten und Leiterbahnen können mit einer derartigen Anordnung vielkanalige Mikrokabel hergestellt werden. Auch metallische Abschirmungen zwischen den Leiterbahnen sind insbesondere für Hochfrequenzanwendungen realsierbar. Verbleiben die einzelnen Folien 12 in der in Fig. 7b dargestellten Stapelanordnung, so können auf diese Weise dreidimensionale Mikroelektroden-Arrays erzeugt werden. Mögliche Anwendungen umfassen elektrophoretische Systeme, wobei durch die mehrlagigen Fluidkanäle längere Separationsstrecken für eine verbesserte Trennung des Analyten realisierbar werden.

Fig. 8 zeigt biotechnologische Anwendungsbeispiele vorstehend beschriebener Folienstapelsysteme. Fig. 8a zeigt einen mikro- und nanostrukturierten Folienstapel 14, deren einzelne Folien der mikro- und nanostrukturierten Folie gemäß Fig. 5e entspricht. Eine derartig gestapelte Folienstruktur 14 dient der vielschichtigen Lagerung und vielkanaligen Kontaktierung biologischer Zellen oder biochemischer Komponenten 13, die längs der Nanostrukturen angeordnet sind. Die in Fig. 8a dargestellte Stapelanordnung zeigt eine dreidimensionale Zellmatrix zur Kultivierung oder Lagerung von Zellen 13 innerhalb des Folienstapels 14. Eine Perfusion oder Versorgung der einzelnen Zellen 13 mit Nährlösung und Giasen kann durch die jeweiligen Mikrokanäle gewährleistet werden. Die Nanostrukturen können sowohl der positionierten Anordnung der einzelnen Zellen dienen als auch der Zuführung von Nährlösung zu den Zellen bei offen ausgebildeten Nanokanälen.

Derartige Stapelanordnungen finden insbesondere ihre Anwendung in der Entwicklung von biohybriden, künstlichen Organen sowie von Ersatzgeweben.

In Fig. 8b ist eine Stapelanordnung 15 dargestellt, deren einzelne strukturierte Folien der mit Elektrodenbereichen versehenen Folie 12 gemäß Fig. 6e entspricht. Eine derartige Stapelanordnung realisiert eine mehrlagige Kultivierung biologischer Zellen 13 auf einem dreidimensionalen Folien-Mikroelektroden-Array mit der biosensorische Anwendungen durchgeführt werden können.

Fig. 8c zeigt ein Folienlaminat 16 mit integrierten mehrlagigen Leiterbahnen L, die mit den Elektrodenbereichen E innerhalb der jeweiligen Nanostrukturen 4 verbunden sind. Mit derartigen Strukturen können durch die mehrlagige Leiterbahnzuführung Mikroelektroden-Arrays mit hoher Elementdichte hergestellt werden.

Die Fig. 9 und 10 zeigen alternative Herstellungsvarianten für eine lokal beschichtete Folie 7, wie sie beispielsweise aus Fig. 4d hervorgeht, wie sie gemäß Fig. 5a als Ausgangsfolie für ein weiteres Aufwachsen von Metallmaterial benötigt wird. In Fig. 9a wird eine perforierte Folie 17 auf eine mit einer Zwischenschicht Z kaschierten Folie 6 aufgebracht (siehe Fig. 9b). Mit Hilfe eines geeigneten Materialabtrageverfahrens, beispielsweise nasschemisches Ätzen, werden die nicht von der perforierten Folie 17 abgedeckten Schichtbereiche Z vollständig von der Folienoberfläche 7 entfernt. Nach entsprechendem Delaminieren der perforierten Folie 17 entsteht die gewünschte lokal beschichtete Folie 7.

Alternativ hierzu sieht die Verfahrensvariante gemäß Fig. 10 vor, eine perforierte Folie 17 unmittelbar auf eine unstrukturierte Folie 18 mittels Lamination aufzubringen (siehe Fig. 10a und b). Nachfolgend erfolgt eine flächenhafte Beschichtung der sich durch Zusammenfügen beider Folien 17 und 18 ergebenden Oberfläche (siehe Fig. 10c). In einem letzten Schritt wird die perforierte Folie 17 mit der auf ihr befindlichen Zwischenschicht Z von der Folie 18 entfernt, so dass letztlich die gewünschte Folie 7 erhalten wird.

In den letzten beiden Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 11 und 12 sind Verfahrensvarianten zur Herstellung von Nanostrukturen auf einer Folienoberfläche dargestellt, die die Verwendung sich selbst anordnender Partikel vorsehen. So wird gemäß der Fig. 11a und b eine vorgeprägte Folie 2 mit Führungskanälen oder Mikrokanälen M auf eine unstrukturierte Folie 18 auflaminiert. In die sich ergebenden Mikrokanäle M werden in einer Flüssig- oder Gasphase vorliegende Mikro- oder Nanopartikel beispielsweise Kristalle oder Kolloide eingebracht, die sich längs der Mikrokanäle abscheiden (siehe Fig. 11c). Die Möglichkeit der Selbstassemblierung von Partikeln, Kristallen oder Kolloiden kann in diesem Zusammenhang gezielt genutzt werden. Nach Entfernen der vorgeprägten Folie 2 verbleiben jene Partikel auf der Oberfläche der Folie 20 und bilden die einzelnen Nanostrukturen.

Jedoch ist es auch möglich, die sich innerhalb der Mikrokanäle M in selbstorganisierender Weise abgeschiedenen Partikel bzw. Kristalle oder Kolloide gemäß der Anordnung in Fig. 11c als Ätzmaske zu verwenden. So wird ein entsprechendes selektives Ätzmedium durch die Mikrokanäle und den darin befindlichen selbstorganisierten Mikropartikel gemäß Fig. 12a hindurchgeleitet, wodurch ein selektiver Materialabtrag innerhalb des Folienmaterials zwischen den Mikropartikeln erfolgt (siehe Fig. 12b). Die Folienoberfläche wird dabei in Strukturgrößen geätzt, die der Größe der Partikel bzw. der Kolloide entsprechen. Die Partikel bzw. Kolloide können nachfolgend mit einem entsprechend gewählten Medium entfernt werden (Fig. 12c) und nach entsprechender Delamination der vorgeprägten Deckelfolie 1 verbleibt eine mikro- bzw. nanostrukturierte Substratoberfläche gemäß Fig. 12d.

Mit den vorstehend genannten Verfahrensvarianten lassen sich mikro- und nanostrukturierte Folien herstellen, die in den folgenden technischen Anwendungsfeldern Verwendung finden:

  • - Großflächige Folien mit Metallmatrix für die elektronische Ansteuerung von Pixeln bei Herstellung flexibler, großflächiger und ultraflacher Displays,
  • - Großflächige Folien mit Strukturen zur räumlich hoch auflösenden Beschichtung beispielsweise mit OLED (organic light emitting diodes) zur Herstellung flexibler, großflächiger und ultraflacher Displays,
  • - Folien mit mikrostrukturierten, in die Folie integrierten Leiterbahnen für die Anwendung von Anschlussflächen und Mikroantennen sowie zu Massenfertigung flexibler Substrate beispielsweise zur Objektidentifikation,
  • - Großflächige Folien mit strukturierter Chrom-Beschichtung als großflächige Photomasken für die Halbleitertechnologie,
  • - Großflächige, gestapelte Folien als Matrix für die Besiedlung mit biologischen Zellen für Anwendung in der Biosensorik und in der Zellanalytik sowie für das gerichtete und kontrollierte Wachstum von biologischem Gewebe als Gewebe- und Organersatz ("Tissue-Engineering").
Bezugszeichenliste 1 Folie, Deckelfolie

2 Mikrostrukturierte, vorgeprägte Folie

3 Flüssiges oder gasförmiges Medium, Stoffstrom

4 Nanostrukturen

5 Beschichtungsmaterial innerhalb der Nanostrukturen

6 Beschichtete, kaschierte Folie

7 Lokal beschichtete Folie

8 Zusätzliches Abscheidematerial im Wege galvanischer Metallisierung

9, 10 mikro- und nanostrukturierte Folie

11 gedeckelte Folie mit Mikroelektroden

12 Mikro- und nanostrukturierte Folie mit elektrischen Leiterbahnen

13 Zellen, biologische Zellen

14, 15, 16 Folienstapel

17 perforierte Folie

18 Unstrukturierte Folie

19 Gedeckelte Folie mit Mikro- und Nanopartikel

20 Folie mit Mikro- und Nanopartikel

21 Nanogeätzte Folie nach Entfernung der Nanopartikel

M Mikrokanäle

Z Zwischenschicht

E Elektrodenbereiche, Mikroelektroden-Arrays

L Leiterbahnen


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Oberflächenstrukturierung einer Folie mit Strukturgrößen im dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie mit wenigstens einer Folienoberfläche, in der wenigstens abschnittsweise zusammenhängende, zur Folienoberfläche einseitig offen ausgebildete Mikrokanäle vorgesehen sind, bereitgestellt wird,

    dass eine zweite Folie mit der oberflächenstrukturierten Folie derart verfügt wird, dass die Mikrokanäle von der zweiten Folie fluid- und/oder gasdicht überdeckt werden, und

    dass wenigstens ein flüssiges oder gasförmiges Medium durch die Mikrokanäle geleitet wird, das durch chemische Wechselwirkung Folienmaterial innerhalb der Mikrokanäle zur Erzeugung von Mikro- und/oder Nanostrukuren abträgt und/oder Beschichtungsmuster mit Strukturgrößen im Mikro- und/oder Nanometerbereich erzeugt.
  2. 2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einer Folienoberfläche einer Folie im Wege zumindest eines Materialabscheidungsprozesses Bereiche der Folienoberfläche mit Abscheidematerial überdeckt werden, die freie Bereiche der Folienoberfläche umgeben, die einseitig offen ausgebildete Mikrokanäle darstellen,

    dass eine zweite Folie mit den über die Folienoberfläche erhabenen Bereichen mit Abscheidematerial derart verfügt wird, dass die Mikrokanäle von der zweiten Folie fluid- und/oder gasdicht überdeckt werden, und

    dass wenigstens ein flüssiges oder gasförmiges Medium durch die Mikrokanäle geleitet wird, das durch chemische Wechselwirkung Folienmaterial innerhalb der Mikrokanäle zur Erzeugung von Mikro- und/oder Nanostrukuren abträgt und/oder Beschichtungsmuster mit Strukturgrößen im Mikro- und/oder Nanometerbereich erzeugt.
  3. 3. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie mit wenigstens einer Folienoberfläche, in der wenigstens abschnittsweise zusammenhängende, zur Folienoberfläche einseitig offen ausgebildete Mikrokanäle vorgesehen sind, bereitgestellt wird, und dass wenigstens ein flüssiges Medium in die Mikrokanäle eingebracht wird, das durch chemische Wechselwirkung Folienmaterial innerhalb der Mikrokanäle zur Erzeugung von Mikro- und/oder Nanostrukuren abträgt und/oder Beschichtungsmuster mit Strukturgrößen im Mikro- und/oder Nanometerbereich erzeugt.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle Kanalbreiten im Bereich zwischen 0,1 µm und 100 µm aufweisen.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiges oder gasförmiges Medium ein Stoffstrom in die Mikrokanäle eingeleitet wird, der Stoffstrombereiche mit unterschiedlichen Stoffkonzentrationen oder Stoffzusammensetzungen aufweist.
  6. 6. Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiges oder gasförmiges Medium ein Stoffstrom in die Mikrokanäle eingeleitet wird, der Stoffstrombereiche mit unterschiedlichen Stoffstromgeschwindigkeiten aufweist.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass längs der Mikrokanäle zumindest während der Einleitung des flüssigen oder gasförmigen Mediums durch die Mikrokanäle bzw. der Einbringung des flüssigen Mediums in die Mikrokanäle ein elektrostatisches, elektromagnetisches Feld und/oder ein Energiefeld in Form eines Wärme- oder Lichtfeldes angelegt wird, das in Wechselwirkung zumindest mit Bestandteilen des flüssigen oder gasförmigen Mediums tritt.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige oder gasförmige Medium druckbeaufschlagt unter Zugrundelegung eines konstanten oder zeitlich variierenden Druckes in die Mikrokanäle eingeleitet bzw. eingebracht wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Bereiche der Folienoberfläche, die mit Abscheidematerial überdeckt sind, folgende Herstellungsschritte durchgeführt werden:
    1. - Bereitstellen einer Folie mit wenigstens einer Folienoberfläche, in der wenigstens abschnittsweise zusammenhängende, zur Folienoberfläche einseitig offen ausgebildete Mikrokanäle vorgesehen sind,
    2. - Verfügen der die Mikrokanäle aufweisenden Folienoberfläche mit einer Folienoberfläche einer zweiten Folie, auf der ganzflächig ein Schichtmaterial abgeschieden ist,
    3. - Einleiten eines das Schichtmaterial abtragenden Ätzmediums in die Mikrokanäle und vollständiges Abätzen des Schichtmaterials im Bereich der Mikrokanäle,
    4. - Entfernen der die Mikrokanäle aufweisenden Folie von der nun lediglich teilweise mit Schichtmaterial überdeckten Folie.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Bereiche der Folienoberfläche, die mit Abscheidematerial überdeckt sind, folgende Herstellungsschritte durchgeführt werden:
    1. - Bereitstellen einer Folie, die die Folie vollständig durchsetzende Öffnungen vorsieht.
    2. - Verfügen der perforierten Folie mit einer Folienoberfläche einer zweiten Folie, auf der ganzflächig ein Schichtmaterial abgeschieden ist,
    3. - Vollständiges Abätzen des Schichtmaterials in den von der perforierten Folie nicht überdeckten Bereiche der zweiten Folie,
    4. - Entfernen der perforierten Folie von der nun lediglich teilweise mit Schichtmaterial überdeckten Folie.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Bereiche der Folienoberfläche, die mit Abscheidematerial überdeckt sind, folgende Herstellungsschritte durchgeführt werden:
    1. - Bereitstellen einer Folie, die die Folie vollständig durchsetzende Öffnungen vorsieht.
    2. - Verfügen der perforierten Folie mit einer Folienoberfläche einer zweiten Folie,
    3. - Beschichten der zweiten Folie samt der auf der zweiten Folie aufsitzenden perforierten Folie,
    4. - Ablösen der beschichteten, perforierten Folie von der zweiten Folie, die in Bereichen, in denen die zweite Folie von der perforierten Folie nicht abgedeckt war mit Schichtmaterial bedeckt ist.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf die bereits vorhandenen Bereiche von Schichtmaterial weiteres Schichtmaterial selektiv abgeschieden wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtmaterial metallisches Material ist, und dass das selektive Abscheiden im Wege eines galvanischen Abscheideprozesses oder einer stromlosen Abscheidung erfolgt.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfügen zweier Folien im Wege einer lösbar festen Lamination durchgeführt wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien nach Durchleiten des wenigstens einen flüssigen oder gasförmigen Mediums durch die Mikrokanäle voneinander getrennt werden.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einem flüssigen oder gasförmigen Medium Mikro- oder Nanopartikel enthalten sind, die sich im Wege der Selbstanordnung bzw. Selbstassemblierung in einer Ordnung innerhalb der Mikrokanäle fest anordnen und eine Art Beschichtungsstruktur bilden.
  17. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb der Mikrokanäle angeordneten Mikro- oder Nanopartikel als Ätzmaske für einen nachfolgenden Ätzschritt dienen.
  18. 18. Folie mit Oberflächenstrukturen, deren Strukturgrößen im Mikro- und Nanometerbereich liegen und die nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine Folienoberfläche aufweist, in der wenigstens ein einseitig offener Mikrokanal als Oberflächenstruktur vorgesehen ist, längs dem wenigstens eine nutförmige Vertiefung als Nanostruktur verläuft.
  19. 19. Folie nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Mikrokanal geradlinig ausgebildet ist.
  20. 20. Folie nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der nutförmigen Vertiefung Material, das sich vom Folienmaterial unterscheidet, eingebracht ist.
  21. 21. Folie nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Material elektrisch leitendes Material oder biologisch oder chemisch reagierendes Material ist.
  22. 22. Folie nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie mit einer Vielzahl weiterer Folien übereinander stapelbar ist.






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